在上个世纪60年代，在紧张的国际形势下，中国第一颗原子弹终于研制成功，随着壮丽的蘑菇云腾起，举国人民无不欢腾鼓舞，无数热血青年纷纷立志投身在毛主席的号令中，穿越崇山峻岭来到大西南，为国家的原子弹事业做贡献。故事就发生在中国大西南研制导弹基地。在站台，随着火车的缓缓驻停，一名热情如火，青春洋溢的小姑娘陆若文（苏青 饰）高兴地从列车上下来，向等候在那的导师高占武（任程伟 饰）汇报情况，陆若文汇报完情况，故意向高占武说自己已经得到调令，可以去基地上班了，她的小伎俩被高占武识破，高占武让她拿出调令，陆若文看到谎言败露，于是百般给他说好话，但高占武坚决不肯把她留在这里，还让她去候车厅休息，然后随着火车返回。一同下火车的向晴（练束梅 饰）看到陆若文遭到高占武的回绝，想替陆若文求情，忽然看到大学同学张利军（杨烁 饰）来接她了，和老同学重逢，向晴兴奋地抱着张利军，还给他戴上了一顶新帽子。张利军，军人子弟，是个一身热血的大学生和火箭工程师，性格桀骜不羁，率性而为。他将自己的好朋友马朝阳介绍给向晴认识，听到她说陆若文也来了，两个人飞快地跑到调度室。调度室里，陆若文向她的大学同学张利军和马朝阳哭诉，如果谁能让她留在基地，自己就嫁给她，张利军和马朝阳想向高占武求情，没等他们开口，高占武直接告诉他们，谁想跟着她，可以随时回去。  两个人也没有办法。调度室里的调度员姜又发看到陆若文哭红的眼睛，告诉她，自己有办法让她混进基地，陆若文便听了姜又发的办法，偷偷钻进运往基地的卡车车厢，蒙混过层层警戒。基地王副主任发现火车刚到站，基地就出现了敌方电台信号，为了不打草惊蛇，没有大肆声张。第二天，张利军把基地的同事刘连柱和他的爱徒梁玉强都给向晴介绍了一下，向晴觉得车间的刘连柱师傅冷冷冰冰，张利军却告诉她，这个师傅在制造火箭方面是全能，大领导来了都要给他倒水。无意中听到张利军喜欢陆若文，向晴没好气地拿回了自己的帽子。仓库的同志发现了冻晕里面的陆若文，赶紧汇报给了上级，担心情报泄露，上级立刻决定对陆若文实行隔离审查。在调查室，陆若文一口咬定没有人帮她，全部是她自己一个人混进去了，接着还说出了基地各个部门的工作内容和作用，连各个部门的编制都摸的一清二楚，为了防止她说出更多的机密，徐处长立刻让人把她关进了监狱。基地的王副主任惊讶一个小小的陆若文竟然知道这么多秘密，于是向高占武兴师问罪，高占武告诉他，自己并没有泄密，恰恰相反，这个陆若文在制作导弹方面的知识很渊博，但由于她资本主义小姐的身份所以迟迟没有被调进基地，自己也正在做工作让她以合法的方式调回这里工作。王副主任了解到当天接触到陆若文的只有马朝阳和张利军，因为马朝阳当晚就探亲回家了，所以郑重调查了张利军，张利军完全否定了私自帮助陆若文的事情，还说关系到国家安全的事情，自己是绝对不会含糊的。接着王副主任向基地的司令员汇报陆若文的处理意见，他和政委都决定要把陆若文移交军事法庭处理，司令员没有异议，还建议他利用这件事好好教育基地的年轻人做好保密工作。张利军听到这个消息生气地责备高占武见死不救，高占武思来想去，只好带着向晴到基地的司令部。见到自己的司令员父亲，向晴向他陈述了陆若文的事情，没想到一直铁面无私的父亲还是坚持自己的处理意见——将陆若文移交军事法庭处理。张利军想摸黑混进监狱，没想到被警卫员抓个正着，基地四处守卫森严，张利军只好作罢。

陆若文被押送军事法庭之际，基地司令员终于被陆若文炽热的理想和报国热情所打动，不惜犯错毅然决定留下这个学生娃。马朝阳父母的确生病，但真正要他回家的原因是要了结父母的心愿，与早年订亲的张兰成亲，其实马朝阳心里早有了陆若文。向晴与张利军两小无猜，但张利军自诩陆若文是未婚妻，从而遭到陆若文的冷遇。基地保卫部协同地方公安部门终于起获了敌特电台，但要全歼敌特组织仍然迷雾重重。马朝阳返回基地，因为他的才华和贡献，他被破格提拔成了工程师。巾帼不让须眉的陆若文带着向晴也出了成果，设计出了导弹部队急需的加温器，引起了分院和基地的高度重视。

在加温器研制过程中，陆若文因不满刘连柱对徒弟梁玉强的体罚，顶撞了谁都尊重的大工匠，高占武只好出面替陆若文解危。陆若文设计的加温器成功了，在庆功聚会上，陆若文的歌声使马朝阳决定要悔掉家乡的亲事。地空导弹打靶试验的成功，令这群年轻人欢欣不已。在去车站接图纸资料时，陆若文特意找到车站调度姜又发表示感谢，因当初闯基地的办法是姜又发给出的主意。随同专列到来的还有一大批祖国各地支援三线的技术工人，在人流中，有一背影引起了基地保卫部的注意。

敌特份子余震和在车站接头，原来帮助陆若文进人基地的姜又发居然也是潜伏特务。陆若文和向晴因研制空气加温器而晋级，令张利军颜面扫; 地。高占武严厉地指出张利军的不足。研究室集体参加工厂的技术指导工作，张利军与工人的沟霓 通和组织才能高占武看在眼里。中央决定加速核导弹的研制进程，全研究室人员赴京参加调试汇战，唯独张利军被留下去工厂做技术指导，所有的人替张利军打抱不平。在驶往北京的火车上，高占武三言两语道出“良苦用心”，令马朝阳、陆若文和向晴等人如释重负。

张利军不仅带领工人生产，还利用业余时间带领大伙儿开荒种地改善生活，令工厂领导工人们刮目相看，好评如潮。乔院长到来，令参加汇战的设计人员群情激奋，领略了一个科学家的精神境界。高占武对乔院长跟马朝阳的关系更为好奇和不解。高占武的一封封来信，终于让满腹委屈的张利军豁然开朗，他用乔院长的故事，让工人们看到了未来的希望和理想的光华。在完成任务返回基地时，高占武为大家争取了半天时间回家。正准备回家看望妻儿的高占武又接到任务通知，面对路过家门而不入的丈夫，妻子叶萱一脸幽怨。敌台广播中，余震和接到了启动指令……